[發(fā)明專利]具有反射轉(zhuǎn)向陣列的成像光引導(dǎo)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201680052386.8
• 申請日: 2016-09-09
• 公開（公告）號: CN108139593B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: R.J.舒爾茨;P.J.特拉弗斯
• 申請（專利權(quán)）人: 伊奎蒂公司
• 主分類號: G02B27/42
• 分類號: G02B27/42;G02B6/122;G02B27/01;G02F1/1334
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 王岳;閆小龍

一種成像光引導(dǎo)，具有波導(dǎo)和入耦合衍射光學(xué)元件，該入耦合衍射光學(xué)元件形成在波導(dǎo)上并且被設(shè)置為將承載圖像的光束引導(dǎo)到波導(dǎo)。兩個或更多個至少部分地反射的表面的陣列，所述兩個或更多個至少部分地反射的表面是平行定向的并且被設(shè)置為在第一維度上擴展來自入耦合衍射光學(xué)元件的承載圖像的光束并且將所擴展的承載圖像的光束朝向出耦合衍射光學(xué)元件引導(dǎo)。出耦合衍射光學(xué)元件形成在波導(dǎo)上并且被設(shè)置為在正交于第一維度的第二維度上擴展承載圖像的光束并將承載圖像的光束朝向觀看者眼動范圍引導(dǎo)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明一般地涉及電子顯示器，并且更特別地涉及使用成像光引導(dǎo)以向觀看者傳遞承載圖像的光的頭戴（近眼）顯示器。

背景技術(shù)

頭戴顯示器（HMD）正被開發(fā)用于一系列多種多樣的用途，包括軍事、商業(yè)、工業(yè)、消防和娛樂應(yīng)用。對于這些應(yīng)用中的許多而言，在形成能夠被虛擬地疊加在處于HMD用戶的視場中的真實世界圖像上的虛擬圖像方面存在特別的價值。光學(xué)成像光引導(dǎo)將承載圖像的光傳遞到在狹窄空間中的觀看者以用于將虛擬圖像引導(dǎo)到觀看者的光瞳并使能該疊置功能。

在這樣的常規(guī)的成像光引導(dǎo)中，經(jīng)準直的、被相對地有角度編碼的來自圖像源的光束被通過諸如入耦合衍射光學(xué)元件的輸入耦合耦合到平坦波導(dǎo)中，入耦合衍射光學(xué)元件可以被安裝或形成在平坦波導(dǎo)的表面上或者被掩埋在波導(dǎo)內(nèi)。這樣的衍射光學(xué)元件可以被形成為衍射光柵、全息光學(xué)元件或者被以其它已知的方式形成。例如，衍射光柵可以是通過表面浮雕形成的。在沿著波導(dǎo)傳播之后，被衍射的光可以在波導(dǎo)之外通過相似的輸出光柵被導(dǎo)引回去，輸出光柵可以被布置以提供沿著虛擬圖像的一個維度的光瞳擴展。此外，可以在輸入光柵和輸出光柵之間沿著波導(dǎo)定位轉(zhuǎn)向光柵以提供在虛擬圖像的正交的維度上的光瞳擴展。從波導(dǎo)輸出的承載圖像的光為觀看者提供擴展的眼動范圍（eyebox）。

雖然常規(guī)的成像光引導(dǎo)布置已經(jīng)提供了在近眼顯示光學(xué)器件的體積、重量和總體成本上的顯著降低，但是光柵的整體效率通常受在每個光柵界面處發(fā)生的光學(xué)損耗限制。由于每個光柵區(qū)域只能針對一個特定的場角度并且針對一個特定的波長而被完全優(yōu)化，所以跨虛擬圖像的視場或者跨同一虛擬圖像的可視譜的性能可能極大地變化。這對于對從入耦合衍射光學(xué)元件行進到出耦合衍射光學(xué)元件的光進行引導(dǎo)的轉(zhuǎn)向光柵也是真實的。因為當光遇到每個衍射光學(xué)元件時損失相當大量的輸入光能量，所以輸入圖像源必須足夠亮以補償在呈現(xiàn)給觀看者的虛擬圖像中的損失的亮度。

因此，可以領(lǐng)會的是，存在針對仍然提供想要的光瞳擴展但是在頭戴顯示器中提供增強的效率的改進的承載圖像的光引導(dǎo)的設(shè)計的需要。

在考慮用于成像的光引導(dǎo)設(shè)計時應(yīng)當注意的是，在波導(dǎo)內(nèi)行進的承載圖像的光被有效地通過輸入耦合——無論是使用光柵、全息圖、棱鏡、鏡面的耦合機制還是某種其它機制——編碼。在輸入處發(fā)生的光的任何反射、折射和/或衍射必須被輸出對應(yīng)地解碼以便重新形成呈現(xiàn)給觀看者的虛擬圖像。

放置在入耦合衍射光學(xué)元件與出耦合衍射光學(xué)元件之間的中間位置的轉(zhuǎn)向光柵典型地被選取使得其不引起在編碼的光上的任何改變。優(yōu)選地，轉(zhuǎn)向光柵使波導(dǎo)內(nèi)的光線束重定向，但是不改變虛擬圖像的編碼的角度信息。在這樣的設(shè)計系統(tǒng)中的所得到的虛擬圖像不被旋轉(zhuǎn)。進一步地，如果這樣的系統(tǒng)確實將旋轉(zhuǎn)引入到虛擬圖像，則它將跨不同的場角度和光波長而非均勻地這樣做，因此在所得到的虛擬圖像中引起不想要的失真或像差。

Amitai的題為“Substrate-Guided Optical Beam Expander”的美國專利No. 6,829,095公開了采用鏡面形式的輸入耦合和輸出耦合，其將承載圖像的光束的集合反射進入平坦波導(dǎo)以及反射出平坦波導(dǎo)。輸出耦合被劃分成反射表面的陣列以用于沿著一個維度擴展出射光瞳。在此被稱為轉(zhuǎn)向鏡面的反射表面的中間陣列提供了在正交的維度上對出射光瞳進行擴展。各種輸入、輸出和中間反射表面彼此匹配以保持承載圖像的束的想要的角度定向。